循环经济下新疆地浸采铀浸出的技术创新

摘要:从循环经济角度出发,介绍了地浸采铀工艺特点,从浸出工艺方法与矿床的“适宜匹配”、浸出工艺的“减量化”技术、微生物浸铀及铀铼综合回收技术等四个方面阐述新疆地浸采铀浸出工艺的循环经济技术创新举措及应用成果,总结出新疆地浸采铀浸出工艺具有“低消耗、高利用、综合回收”的循环经济特点。

关键词:地浸采铀;循环经济;浸出工艺优化

循环经济的核心理念是资源高效、循环利用,基本原则是“减量化(reduce)、再利用(reuse)、再循环(recycle)”,即循环经济的“3R”原则[1]。“减量化”是循环经济的第一法则,它要求从源头就注意节约资源和减少投入;“再利用”原则是要求产品和包装物能够多次和反复使用,而不是一次性消耗;“再循环”原则是指产品在完成其自身功能后,能被后续工艺再使用[2]。在循环经济理念和思想的指导下,结合矿产资源特性和当前开发现状,延伸并发展成为矿业循环经济[3]。新疆有丰富的可地浸砂岩铀矿资源,自20世纪80年代末地浸开采条件试验取得成功以来,新疆地浸采铀得到了快速发展[4-5],国内首座千吨级地浸采铀矿山现已在伊犁盆地建成。推动地浸采铀浸出工艺不断创新、大力发展地浸采铀循环经济,是建设资源节约型、环境友好型、经济效益型地浸采铀标杆企业的有效途径。

1循环经济视角下的地浸采铀工艺特点

1.1铀矿资源循环经济在循环经济视角下的矿业领域中,有学者提出[6]“减量化”的提法难以实现,应以“高回收(recovery)”代替“减量化”(reduce)。也有学者提出[7-8],矿业循环经济应在“3R”基础上增加“研究(research)”和“替代(replace)”,或“再发现(rediscover)”和“替代(replace)”原则,即矿业循环经济的“5R”原则。在铀矿业循环经济研究方面,有学者提出[9]基于物质流的铀矿业循环经济研究,将铀矿企业的生产经营活动视为包含输入、输出的物质流动,铀矿资源循环经济应遵循“减量化、无害化、资源化”的“3R”原则,体现减少输入端的投入,将物质流的过程中废物进行再利用,输出端污染物排放进行无害化处理。在地浸采铀矿山的物质流输入端控制,即浸出工艺的选择。1.2地浸采铀工艺特点地浸采铀技术适用于疏松砂岩型铀矿床的开采,它通过揭露矿体的钻孔,向矿层注入浸出剂,对原始埋藏下的含铀矿石进行溶浸,将含铀溶液抽至地表水冶厂进行回收。水冶厂利用离子交换树脂将含铀溶液中的铀吸附,废水(吸附尾液)在补加少量工业试剂后作为浸出剂再次注入矿层,实现工业废水的循环和再利用;铀水冶用的离子交换树脂经转型后也可以循环利用,除了运转过程中的机械磨损,整个铀水冶回收工艺流程不会消耗离子交换树脂。地浸采铀的先进性还降低了其对铀矿石工业品位的要求,常规铀矿山通常以0.05%作为最低工业品位指标,地浸采铀的最低工业品位指标则可降至0.01%。若矿床共(伴)生铼、钼、硒、钇等稀有元素具有一定工业价值,地浸开采方法还可实现这些共(伴)生元素的协同开采,提高资源的综合利用率。因此,从某种角度上讲,地浸采铀本身符合矿业循环经济发展理念。在地浸采铀工艺中,推动循环经济的再发展,其实质应当是以尽可能小的原材料消耗和环境代价,实现铀资源的最大回收和共(伴)生元素的综合利用,也即浸出工艺满足铀矿石的浸出要求,浸出剂浓度低,浸出过程对围岩组分消耗少,对地下水成分影响小,充分体现浸出工艺过程的“减量化”、“资源回收最大化”和“生态化”思想。按浸出剂种类,地浸采铀浸出工艺可分为酸法浸出(以H2SO4为主)、碱法浸出(以钠或铵的碳酸盐+碳酸氢盐为主)和中性浸出(CO2+O2)[10],其中,中性浸出(CO2+O2)“浸出工艺有“环境友好型”浸铀工艺的美称[11-12]。苏联多采用酸法浸出工艺,美国地浸矿山常采用“CO2+O2”的中性浸出工艺或碱法浸出工艺。新疆地浸采铀在生产实践中,最先采用的是酸法浸出工艺,2000年之后,随着所开发矿床的地质工艺类别变化,碱法浸出、“CO2+O2”浸出工艺相继在吐哈盆地、伊犁盆地某些矿床使用。各种浸出工艺之间并没有优劣之分,具体选择哪种浸出工艺,应依据矿岩组分和铀矿石的地质工艺特征而定。

2新疆地浸采铀浸出工艺循环经济技术创新举措

2.1浸出工艺方法与矿床的“适宜匹配”新疆地浸采铀矿山目前主要分布在伊犁盆地和吐哈盆地,已规模开发的铀矿山有5个。根据浸出工艺与矿床的“适宜匹配”原则,酸法浸出、碱法浸出和“CO2+O2”浸出工艺在新疆地浸采铀实践中均有规模应用。1)酸法浸出,浸出剂的ρ(H2SO4)为5~20g/L,适宜于碳酸盐含量(按CO2计)<0.5%,以伊犁盆地某矿床Ⅴ旋回矿体为代表。2)碱法浸出工艺,新疆地浸的碱法浸出工艺以NH4HCO3为主,用于碳酸盐岩含量>2%、硫化物含量<2%的矿床,以伊犁盆地某矿床Ⅶ旋回矿体为代表。3)“CO2+O2”浸出工艺,用于伊犁盆地某碳酸盐岩含量高(2.4%~16.6%)、黄铁矿含量较高(接近2%)、矿层水类型为SO4•Cl-Ca•Na的矿床。酸法和碱法浸出工艺都因为浸出过程中的化学堵塞而无法在此矿应用,运用“CO2+O2”浸出工艺,并严格控制CO2和O2的加入量,将体系pH值、Ca2+、HCO-3、SO2-4等引起沉淀堵塞的敏感因子严格控制在边界条件之内,化解了该矿床浸出过程中的堵塞问题。注入的CO2与矿层中的碳酸盐岩反应生成浸铀所需的HCO-3,O2能有效氧化四价铀矿物,从而使铀得到有效浸出。2.2井场浸出工艺的“减量化”技术在地浸采铀浸出工艺中,不仅需要研究浸出工艺方法与矿床的“适宜匹配”,在特定浸出方法下,还应研究浸出剂浓度与浸出效果的最佳匹配,即以尽可能小的原材料消耗,获得尽可能高的铀资源回收率;同时减少无矿围岩与浸出剂的化学反应,从而减少进入浸出液中的杂质离子,降低后续铀水冶回收成本,提高产品质量。“O2预氧化+低酸浸出”工艺,就是在上述指导思想下,在微酸地浸采铀技术[13]和前述几种浸出工艺的基础上提出的。它适用于常规酸法浸出、碱法浸出和“CO2+O2”浸出工艺都不能获得良好浸出效果、碳酸盐岩含量较低(按CO2计,0.5%~2%)、慢耗酸物质较高(如黏土矿物、铁铝氧化物等)的矿体。该方法在新疆伊犁盆地某矿床Ⅰ旋回矿体的浸采中获得了较好的效果:使用氧气氧化,浸出液中Eh可达400~420mV,抽液量较常规酸法浸出高20%~40%,浸出过程中的矿体堵塞程度比采用常规酸法浸出轻。主要作法:浸出前期,在矿层循环水中加入O2对矿层实施预氧化;酸化期,利用微酸(pH值为4~5的硫酸溶液)+O2进行一次酸化;后暂时停加O2,提高浸出剂ρ(H2SO4)至2~3g/L进行二次酸化;酸化期结束,控制ρ(H2SO4)为3~5g/L+O2进行浸出。该工艺的O2预氧化过程是使层间氧化带饱含氧,模拟层间氧化带型砂岩铀矿成矿前的铀的原始迁移环境。一次酸化阶段是对矿层进行预酸化,微量硫酸与碳酸盐反应生成HCO-3,为铀的浸出提供配位体,浸出液中出现较高的铀浓度。当矿岩中的碳酸盐逐渐消耗,浸出液中铀浓度下降,进行二次酸化。二次酸化过程中,铁、铝矿物随铀矿物一起浸出,浸出液中的铁、铝离子快速上升。由于一次酸化期间矿岩中的碳酸盐矿物大部分已消耗,酸化期间不会出现明显的气堵。二次酸化采用低酸,矿层可溶解物与浸出剂的反应较缓慢,不至于生成可堵塞矿层的大量沉淀物。这样可最大限度的维持含矿层的渗透性,减少矿层堵塞和避免铀矿物被沉淀结垢包裹,对后续铀的高效浸出起到至关重要的作用。酸化期结束后,控制ρ(H2SO4)为3~5g/L+O2进行浸出,有效减少了矿层中慢耗酸物质的溶解,提高了浸出剂的有效利用率。2.3微生物浸铀技术国内外有大量的研究表明,依靠微生物浸矿技术,不仅可从低品位铀矿石中回收铀资源,且其所耗成本仅是前述地浸采铀浸出工艺的一半或更低。近几年,微生物浸铀工艺在新疆地浸采铀矿山也得到了一定规模应用和发展,它一般应用于矿床铀资源质量较差或当采区回采率已较高、矿石工业品位接近最低工业品位,即采用前述地浸采铀浸出工艺进行开采已没有经济效益的情况。主要作法:从地浸采铀工艺尾液中分离、富集及纯化后得到微生物菌种(以氧化亚铁硫杆菌为主的混合菌种);在地浸采铀现场建立内装有可以附着微生物载体(如生物膜弹性填料或陶粒)的生物接触氧化槽或快速接触氧化塔;以地浸采铀工艺尾液为溶剂,加入一定量的工业FeSO4作为微生物的养料,加入H2SO4调节pH值至1.55~1.8,在生物氧化槽或塔内进行曝气,加速菌种的培养和生长;微生物在氧化槽或塔中,将溶液中的Fe2+快速氧化为Fe3+,获得其生长所需能源,并生产出浸铀所需的生物高铁菌液。将含高铁的菌液补加一定H2SO4注入矿层,使之与残余铀矿物或难浸铀矿物发生作用,实现残余铀矿物或难浸铀矿物的浸出。微生物浸铀在新疆地浸采铀的工业化应用中,遇到的主要问题是低温和菌液生产能力小。近几年,通过多级、回流式连续培养技术的提出和应用,驯化出耐低温(12.2℃)、活性强(对Fe2+的氧化速率约为0.045g/L•h)的菌种,解决低温条件下的菌液生产效率问题,满足了现场微生物浸铀工业应用对菌液量的需求[14]。在伊犁盆地某矿床翼部矿体及卷头矿体残矿回收试验中,微生物浸铀发挥了其特有的解决难浸矿石的功效,对残余矿石中的钛铀矿、铀的磷酸盐表现出较好的浸出效果,成功将试验区浸出液铀浓度由10mg/L提升至20mg/L以上,提高了难浸铀矿石的回收率。2.4铀铼综合回收工艺技术当前国内的地浸采铀实践中,由于铀矿床中伴生元素的储量较小、工业价值有限,对铀伴生组分的浸出技术研究较少。新疆伊犁盆地某砂岩型铀矿,伴生元素铼达到综合利用价值。该矿床开展综合回收铼技术研究之前,国内对地浸采铀过程综合回收铀伴生元素的研究尚属空白。2010~2016年,该矿山通过搭建产、学、研平台,借助高校和研究院所研发力量,建立了两种微量铼的测定方法:①测定浸出液中微量铼的富集硫脲光度法;②测定解吸液中微量铼的阳离子交换树脂微柱分离硫氰酸盐光度法。创建了一条从酸法浸铀工艺的贫树脂中回收铼的“N1923-TBP协同萃取”工艺路线[15];设计和合成ZGT75弱碱性阴离子交换树脂,实现了多杂质浸出液微量铼的高效吸附。开展了酸法地浸采铀中的铼回收联动实验,摸索出一套回收伴生元素铼的工艺[16],为实现地浸采铀过程中铼的综合回收提供了技术支撑。该矿还开展了碱法和酸法两种浸出工艺下的铀、铼同时浸出试验。结果表明:酸法和碱法浸出条件下(都需加入氧化剂),铀、铼均可被浸出,但酸法浸出条件下的铀、铼的浸出浓度高于碱法;铼须在加入氧化剂之后方可被浸出(由四价氧化为七价ReO-4被浸出),在试验块段矿体中铼的平均含量0.00012%,酸法浸出铼的峰值浓度为0.06mg/L。

3应用成果

1)根据矿床不同的地质工艺特点,采用不同的浸出工艺,做到了浸出工艺与矿床的“适宜匹配”,这不仅丰富了国内地浸采铀浸出工艺和现场应用经验,同时也是符合矿业循环经济的再研究、再思考思想,提高了铀矿资源的回收率。2)从“减量化”原则出发,研究浸出剂浓度与浸出效果的最佳匹配,创新应用的“O2预氧化+低酸浸出”工艺,是通过在地浸采铀工艺源头减少浸出剂投入,减少无矿围岩的溶解和浸出,分阶段进行酸化,避免或减缓了因浸出剂与矿岩剧烈反应生成沉淀堵塞矿层、包裹矿物表面,最大限度地保护了矿层渗透性和铀矿物的后续浸出,同时,也为实现资源的最大化利用和快速浸采提供支撑。3)微生物浸铀现场多级、回流式连续培养技术的提出和应用,以及驯化出的低温、高活性菌种,使微生物浸铀从理论研究、室内研究走向地浸采铀工业应用,其在伊犁盆地某矿床翼部矿体及卷头矿体残矿回收中应用成果值得借鉴和推广。微生物浸铀技术是地浸采铀矿山循环经济发展过程中实现资源最大化利用、提高资源回收率、降低资源开采成本的有力保障。4)对铀铼同时浸出工艺进行了探索性研究,创建了一条从地浸采铀贫树脂和浸出液中回收铼的工艺路线,丰富了国内地浸采铀资源综合回收利用的研究内容。

4结语

本文所述的新疆地浸采铀浸出工艺创新举措和应用成果,在一定程度上丰富了地浸采铀循环经济的技术创新内容,充分体现了地浸采铀工艺的“低消耗、高利用、综合回收”的循环经济特点。地浸采铀矿山是铀矿业循环经济的有力践行者,不仅仅需要遵循经典、核心的“3R”原则,还需要结合实际,总结和提出符合循环经济发展理念的一切可行性举措和理论。一切有利于提高资源利用率、减少投入,获得最佳经济效益的方法都值得深入研究,如“再回收(recovery)”、“替代(replace)”、再研究(restudy)等原则都应在地浸采铀科研和实践生产中思考。

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作者:陈梅芳 花明 阳奕汉 周义朋 单位:东华理工大学水资源与环境工程学院 新疆中核天山铀业有限公司

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